Stampede2 超级计算机模拟帮助捕捉逃离遥远星球的氦气云。距离地球约 950 光年的一颗行星可能是《Looney Tunes》中的优胜美地-山姆（Yosemite Sam）行星，它正在以壮观的方式吹响大气层流失的"冲锋号"。

这颗行星被称为 HAT-P-32b，其大气中的氦正在大量流失，根据天文学家的观测，拖曳的气体尾巴是目前已知系外行星（太阳系外的行星）中最大的结构之一。

根据德克萨斯大学奥斯汀分校麦克唐纳天文台霍比-艾伯利望远镜的数据，德克萨斯高级计算中心（TACC）Stampede2 超级计算机上的三维模拟帮助建立了这颗行星大气流动的模型。科学家们希望扩大他们的行星观测网，对另外 20 个恒星系统进行勘测，以发现更多失去大气层的行星，了解它们的演化过程。

行星 HAT-P-32b 大气中的氦正在大量流失，以至于拖曳的气体尾巴是太阳系外已知行星中最大的结构之一。近似 HAT-P-32 A + b 系统的轨道平面模拟"切片"。资料来源：Zhang 等人，《科学进展》9，eadf8736 (2023)。

发现氦尾巴

"我们用长时序光谱监测了这颗行星和主恒星，对恒星和行星进行了几个晚上的观测。我们发现有一个巨大的氦气尾巴与这颗行星有关。这条尾巴很大--大约是行星半径的53倍--是由行星上逸出的气体形成的，"加州大学圣克鲁兹分校天文学与天体物理学系博士后研究员张周建说。

张周建是一项关于从HAT-P 32b上探测到的氦尾的研究的第一作者，该研究发表在2023年6月的《科学进展》（Science Advances）上。科学小组使用了霍比-埃伯利望远镜上的宜居行星探测器光谱仪的数据，该仪器可提供近红外波段光的高光谱分辨率。

这颗行星HAT-P-32b是2011年利用匈牙利制造的自动望远镜网络的光谱数据发现的。它被称为"热木星"，是一颗气态巨行星，类似于我们的邻近行星木星，但半径是木星的两倍。这颗热木星在轨道上紧紧地拥抱着它的主恒星，距离大约是地球到太阳距离的 3%。它的轨道周期--我们在地球上认为的一年--只有 2.15 天，这种接近恒星的距离使它受到长波和短波辐射的炙烤。

德克萨斯高级计算中心的 Stampede2 超级计算机。资料来源：TACC

深入海王星沙漠

科学家们之所以对研究热木星感兴趣，主要是为了探索海王星沙漠之谜，即轨道周期较短的中等质量行星（或称亚木星）平均相对稀少，令人费解。

"其中一个可能的解释是，这些行星可能正在失去质量。如果我们能捕捉到正在失去大气层的行星，那么我们就可以研究行星失去质量的速度有多快，以及导致行星大气层逃逸的机制是什么。很高兴能有一些像HAT-P-32b过程这样的例子。"

研究中分析的光线来自恒星HAT-P-32 A，它的温度略高，大小与我们的太阳相似。所分析的光并不只是直接的星光。当行星从恒星前方经过时，在短短的几个小时里，星光被行星的多气体大气层过滤得最厉害。这种被称为"吸收"的过滤揭示了凌星的特征，在这种情况下，分析光谱时会发现大量的氦外流。

张和同事使用了一种叫做透射光谱学的技术，将星光分离成不同的频率，就像三棱镜将太阳光分离成彩虹光谱一样。光谱中的间隙表示光被HAT-P-32b气态大气中的元素吸收了。

"我们在数据中看到的是，当行星越过恒星时，我们看到有更深的氦吸收线。氦的吸收强于我们对恒星大气的预期。这种过量的氦吸收应该是由行星的大气层造成的。当行星凌日时，它的大气层是如此巨大，以至于阻挡了吸收氦线的部分大气层，从而导致了这种过量吸收。我们就是这样发现HAT-P-32b是一颗有趣的行星的。"

三维模拟和大气动力学

在阿姆斯特丹大学安东-潘尼科克天文学研究所的安东尼娅-奥克洛普契奇和哈佛大学哈佛史密森天体物理中心理论与计算研究所的摩根-麦克劳德的领导下，他们对HAT-P-32b和主星进行了三维流体力学模拟，结果更加有趣。

这些模型研究了太阳系外潮汐引力场中行星外流和恒星风之间的相互作用。模型显示，行星外流的柱状尾流沿行星轨道前行或后退，甚至在远离过境点的地方也有过量的氦吸收，这与观测结果相吻合。更重要的是，模型显示大气层在大约 4 x 10e10 地球年后完全消失。

"我们利用 TACC Stampede2 系统的英特尔 Skylake 节点进行计算，"MacLeod 说。"这种计算包括跟踪气流从行星附近缓慢移动的亚音速'大气'加速到远离行星的超音速风的过程。经确认，HAT-P-32b系统具有与行星绕恒星轨道大小相似的大规模外流。综合来看，这些要求表明需要一种稳定、高精度的算法来解决三维气体动力学问题。"

建模人员利用 Athena++ 流体动力软件和自定义问题设置在 Stampede2 上进行计算。通过该软件，他们在与行星轨道运动相匹配的旋转参照系中求解了气体动力学方程。Athena++是一种欧拉代码（Eulerian code），即用体积元素对流动进行离散化处理，他们使用嵌套的网格细化层来捕捉大尺度的恒星-行星系统以及行星表面附近小得多的大气尺度。

系外行星研究的未来

展望未来，科学家们希望继续开发复杂的三维模型，以捕捉数百甚至数千光年外更遥远世界的大气层内气体甚至风的混合等效应。

"现在是拥有计算能力强大的超级计算机来实现这一目标的时候了，"张说。"我们需要计算机根据理论的最新进展做出真正的预测，并解释数据。超级计算机是模型和数据之间的桥梁。我们能做的最好的事情就是观察夜空，并尝试通过计算机建模重现我们所看到的一切，"麦克劳德总结道。"我们的宇宙是复杂的。这意味着我们需要使用绝对最好的超级计算系统"。